如何為開關電源選擇合適的電感


 

如何為開關電源選擇合適的電感

 

開關電源紋波的產生與抑制  

 

.開關電源紋波的產生

    我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度,達到這個目的最根本的解決方法就是要儘量避免紋波的產生,首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。

 

    上圖是開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。

    隨著SWITCH的開關,電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同,為幾十到幾百KHz

    另外,SWITCH一般選用雙極性電晶體或者MOSFET,不管是哪種,在其導通和截止的時候,都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的雜訊,一般為幾十MHz。同樣二極體D在反向恢復瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯,會引起諧振,產生的雜訊頻率也為幾十MHz。這兩種雜訊一般叫做高頻雜訊,幅值通常要比紋波大得多。

 

    如果是ACDC變換器,除了上述兩種紋波(雜訊)以外,還有AC雜訊,頻率是輸入AC電源的頻率,為5060Hz左右。還有一種共模雜訊,是由於很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產生的等效電容導致的。

 

開關電源紋波的測量

基本要求:

 

使用示波器AC耦合

20MHz帶寬限制

拔掉探頭的地線

1AC耦合是去掉疊加的直流電壓,得到準確的波形。

2,打開20MHz帶寬限制是防止高頻雜訊的干擾,防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大,測量的時候應除去。

3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環測量,是為了減少干擾。很多部門沒有接地環,如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。


    上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點,應該用雙絞線,或者50Ω同軸電纜方式測量。

    在測量高頻雜訊時,使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同。可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可,

關於示波器:

    有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆,但表現要比數字示波器好。

 

.開關電源紋波的抑制

對於開關紋波,理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種:

1,加大電感和輸出電容濾波

    根據開關電源的公式,電感內電流波動大小和電感值成反比,輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

 

    左圖是開關電源電感L內的電流波形,其紋波電流△I可由下式算出:

 

    可以看出,增加L值,或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。

    同樣,輸出紋波與輸出電容的關係:vripple=Imax/(Co×f)。  可以看出,加大輸出電容值可以減小紋波。

    通常的做法,對於輸出電容,使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻雜訊方面效果不是很好,而且ESR也比較大,所以會在它旁邊並聯一個陶瓷電容,來彌補鋁電解電容的不足。

    同時,開關電源工作時,輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流,通常在靠近電流輸入端(BucK型為例,是SWITcH附近),並聯電容來提供電流。

    應用該對策後,BUCK型開關電源如下圖所示:


 

    上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制,電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度,對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關頻率,又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時,這種方法並不是很好。

     關於開關電源的原理等,可以參考各類開關電源設計手冊。

2,二級濾波,就是再加一級LC濾波器

    LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯,根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

    但是,這種情況下需要考慮回饋比較電壓的採樣點。(如下圖所示)


3,開關電源輸出之後,接LDO濾波

    這是減少紋波和雜訊最有效的辦法,輸出電壓恒定,不需要改變原有的回饋系統,但也是成本最高,功耗最高的辦法。

    任何一款LDO都有一項指標:噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線。 

    對減小紋波。開關電源的PCB佈線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。

    對於高頻雜訊,由於頻率高幅值較大,後級濾波雖然有一定作用,但效果不